Download apuntes de electricidad

TEMA 4. ELECTRICIDAD
1. CONCEPTO DE ELECTRICIDAD O CORRIENTE ELÉCTRICA
Antes de definir el concepto de electricidad o corriente eléctrica, debemos conocer el átomo, ya que
éste es el origen de la electricidad:
El átomo es la parte más pequeña de la materia, y son los elementos con los que está hecho todo de
nuestro alrededor.
Protones: Carga +
Electrones: Carga –
Neutrones: No tienen carga
Las cargas con el mismo signo se
repelen y con distinto signo se atraen
Los protones y los neutrones forman el núcleo o centro del átomo. Los electrones giran en órbitas
alrededor del núcleo como si fuesen planetas alrededor del sol. El átomo en principio tiene el
mismo número de protones que de electrones para estar equilibrado (carga eléctrica neutra). El
número de neutrones dependerá del tipo de átomo.
Los electrones se mantienen en sus órbitas debido a la fuerza de atracción que ejerce el núcleo
sobre ellos, siendo esta fuerza débil para los electrones que se encuentran en la órbita más alejada
del núcleo, llamada órbita de valencia. Los electrones situados en esta órbita reciben el nombre de
electrones de valencia o electrones libres, y son la causa de que se establezcan diversos tipos de
cargas en los cuerpos: negativas (más electrones que protones), cargas positivas (menos electrones
que protones), y sin carga (mismo nº de electrones que de protones), por lo que los átomos se atraen
(diferente carga) o repelen (misma carga) entre sí.
Si un átomo pierde electrones, queda cargado positivamente  Se le llama CATIÓN
Si, por el contrario, los adquiere queda cargado negativamente  Se le llama ANIÓN
Para comprender mejor la estructura atómica vamos a representar un átomo de cobre, cuyo
núcleo contiene según la tabla verídica 29 protones y 35 neutrones. Alrededor del núcleo tiene 29
electrones en diferentes orbitas, teniendo una carga neutra, ya que como se ha mencionado
anteriormente el átomo tiene que estar equilibrado. Los electrones están en distintos niveles de
energía siguiendo un orden determinado lo que le diferencia de otros elementos.
1
Así pues, si un electrón dejara su orbita, esta es ocupada por otro electrón (ya que si no el átomo
quedaría desequilibrado), para tender al equilibrio y volver a ser neutro.
Imaginemos entonces, un conductor formado por una hilera de átomos de cobre (Cu):
Si le aplicamos energía a estos átomos (mediante una d.d.p.), los electrones de la última capa u
órbita van pasando de un átomo al otro átomo contiguo, de manera que cada átomo no es
propietario del electrón de su última capa, pero siempre posee carga neutra, puesto que va a tener el
mismo número de protones que de electrones. El movimiento ordenado de estos electrones por el
conductor se define como “Corriente eléctrica”.
Así pues, la electricidad es una forma de energía que se produce por el movimiento de los
electrones entre los átomos de un material conductor. Este flujo de electrones a lo largo de un
cuerpo genera una corriente de partículas cargadas, que es lo que denominamos electricidad o
corriente eléctrica.
2. MATERIALES CONDUCTORES Y AISLANTES
Los materiales conductores permiten el paso de la corriente eléctrica, es decir los electrones se
propagan fácilmente. Todos los metales son buenos conductores ya que los átomos poseen en su
órbita o capa de valencia 1 ó 2 electrones, por lo que necesitan poca energía para salir de ellas y
perderlos. Ejemplos: Cobre, plata, oro, estaño., etc.
Los aislantes, no permiten el paso de la corriente eléctrica, ya que están formados por átomos
que tienen entre 5 y 8 electrones de valencia y por tanto están atraídos fuertemente por el núcleo y
tienen poca movilidad, siendo muy difícil o prácticamente imposible sacarlos de ella. (Si esto
ocurre, es generalmente porque se produce la destrucción del aislante).
Ejemplos: plástico, madera, porcelana, vidrio., etc.
2
3. TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA
3.1. CORRIENTE CONTINUA (CC, en inglés DC, de Direct Current)
La corriente eléctrica (movimiento de los electrones) circula siempre en un mismo sentido y con
valor constante, (del polo negativo al polo positivo que los atrae).
La energía necesaria para que se muevan es generada por las pilas y baterías  transformación de
energía química en eléctrica (producida por una reacción química entre un electrodo de Cu y otro de
Zn). Los voltajes que proporcionan generalmente son pequeños: 1,5V, 4,5V, 9V, 12V, etc.
Las pilas y baterías proporcionan
una corriente continua de valor
constante y que mantiene siempre
el mismo sentido (Polaridad fija)
La dinamo también proporciona
c.c., pero pulsante
3.2. CORRIENTE ALTERNA (CA, en inglés AC, de Alternating Current)
La corriente eléctrica cambia cíclicamente su sentido de circulación y valor, es decir, se alternan
una y otra vez su polaridad.
Dicho de otra forma, la característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de
tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades
se invierten  Tantas veces como ciclos (hertz) por segundo posea esa corriente.
No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del
polo negativo al positivo, tal como ocurre en las pilas que suministran corriente directa.
Veamos un ejemplo práctico que ayudará a comprender mejor el concepto de corriente alterna:
CICLO POSITIVO
CICLO NEGATIVO
Si hacemos que la pila del ejemplo anterior gire a una determinada velocidad, se producirá un
cambio constante de polaridad en los bornes donde hacen contacto los dos polos de dicha pila.
Esta acción hará que se genere una corriente alterna tipo pulsante, cuya frecuencia dependerá de la
cantidad de veces que se haga girar la manivela a la que está sujeta la pila para completar una o
varias vueltas completas durante un segundo.
3
En este caso si hacemos una representación gráfica, con un eje de coordenadas para el voltaje y
otro para el tiempo en segundos, se obtendrá una corriente alterna de forma rectangular o pulsante,
0V  + 1,5V 0V  – 1,5V  0V // Y comienza de nuevo el ciclo
Si la velocidad a la que hacemos girar la pila es de una vuelta completa cada segundo, la frecuencia de la corriente
alterna que se obtiene será de un ciclo o hertz por segundo (1 Hz). Si aumentamos ahora la velocidad de giro a 5
vueltas por segundo, la frecuencia será de 5 ciclos o hertz por segundo (5 Hz). Mientras más rápido hagamos girar la
manivela a la que está sujeta la pila, mayor será la frecuencia de la corriente alterna pulsante que se obtiene.
La corriente eléctrica que llega a nuestros hogares es precisamente alterna, pero la onda en lugar de
rectangular (o pulsante) es senoidal.
Así pues, para generar una corriente alterna senoidal se emplea un dispositivo llamado alternador,
el cual se ubica en las centrales eléctricas.
A = Amplitud de onda
T = Periodo
P = Pico o cresta
V = Vientre o valle
N = Nodo o valor cero
F = 1/ T
En Europa la corriente alterna que llega a los hogares es de 230V y tiene una frecuencia de 50 Hz,
mientras que en la mayoría de los países de América la tensión es de 120V, a 60 Hz.
Ventajas de la corriente alterna frente a la continua:

Permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión por medio de transformadores.

Se transporta a grandes distancias con poca de pérdida de energía.

Es posible convertirla en corriente directa con facilidad.

Al incrementar su frecuencia por medios electrónicos en miles o millones de ciclos por segundo
(frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y órdenes de control a grandes
distancias, de forma inalámbrica.

Los motores y generadores de corriente alterna son estructuralmente más sencillos y fáciles de
mantener que los de corriente directa.
2.3. SENTIDO REAL Y CONVENCIONAL DE LA CORRIENTE
Físicamente se sabe que el sentido real de la corriente eléctrica va de negativo (-) a positivo (+), o
sea, el flujo de electrones se desplaza del polo negativo al positivo. Pero también existe lo que se
conoce como el sentido convencional de la corriente, que es al contrario del real (de + a -)
Sentido real
Sentido convencional
4
Esto es así porque en los principios de
descubrimiento, se creyó por mucho
tiempo que éste (figura de la derecha) era
el sentido real. Pero posteriores
descubrimientos
demostraron
que
realmente el sentido era al revés, por lo que
en la práctica y por convenio el sentido
que se considera es el convencional.
4. EL CIRCUITO ELÉCTRICO
Un circuito eléctrico es un conjunto cerrado de elementos conectados entre sí por los que circula la
corriente eléctrica. Los elementos que tiene que tener un circuito eléctrico son:
1. Generador eléctrico (f.e.m.): Es el dispositivo que produce la corriente eléctrica. Ej.: pilas.
2. Hilo o cable conductor: A través de éstos se desplazan las cargas eléctricas. (Cable de Cu o Al)
3. Receptor: Son los elementos que transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía
produciendo algún efecto.
Ejemplos: Bombilla (Luz), Motor (movimiento), Altavoz (sonido), Estufa (Calor),…etc.
5. Elementos de control: Son los elementos que sirven para controlar el circuito. Los elementos
de control más conocidos son: Interruptores, pulsadores y conmutadores
6. Elementos de protección: Protegen al circuito de sobrecargas (cuando pasa demasiada
corriente) o cortocircuitos. Ej: Fusible éste está constituido por un filamento o hilo de metal
que se funde en caso de cortocircuito o sobrecarga, dando lugar a la desconexión del circuito.
5. SIMBOLOGÍA ELÉCTRICA
5
6. MAGNITUDES ELÉCTRICAS
En un circuito eléctrico intervienen tres magnitudes eléctricas fundamentales:
Tensión o Voltaje: Indica la diferencia de potencia (d.d.p.) o desnivel eléctrico existente entre dos
puntos de un circuito. Se representa por la letra V y su unidad es el voltio (V).
Intensidad de corriente: Es la cantidad de carga eléctrica o electrones, que circula por un punto
del conductor en un tiempo determinado. Se representa por I y su unidad es el Amperio (A).
(Cantidad de carga eléctrica = Q  en Culombios porque la carga del electrón es muy pequeña) / 1 culombio = 6,25 × 10 18 e-
Resistencia eléctrica: Es la dificultad que opone un material al paso de la corriente eléctrica,
depende del receptor. Se representa con la letra R y su unidad es el ohmio (Ω).
Para comprender mejor estas tres magnitudes de un circuito eléctrico, vamos a hacer un símil
con un circuito hidráulico:
Otras magnitudes eléctricas relacionadas son:
Potencia eléctrica: Se define como la cantidad de energía que se transforma en un tiempo
determinado. Se representa por la letra P y su unidad es el Vatio (W).
Energía eléctrica: Es la potencia eléctrica que consume un receptor por el tiempo de
funcionamiento. (Es lo que mide el contador eléctrico de nuestros hogares). Se representa por la
letra E y su unidad es el Kilovatio hora (KW× h).
6
7. TIPOS DE CONEXIONES EN CIRCUITOS
7.1. CONEXIÓN EN SERIE DE RECEPTORES (Bombilla, altavoz, resistencia…)
En los circuitos en serie los receptores, están conectados uno a continuación del otro. Solo hay
un camino por el que pasa la corriente eléctrica.
7.2. CONEXIÓN EN PARALELO DE RECEPTORES (bombilla, motor, resistencia...)
En los circuitos en paralelo los elementos receptores se conectan en ramas independientes:
7
7.3. CONEXIÓN MIXTA DE RECEPTORES (bombilla, altavoz, resistencia, motor…)
La conexión mixta de receptores es una mezcla de conexión serie y paralelo conjuntamente:
EN ESTE CASO LA INTENSIDAD Y EL
VOLTAJE VARÍAN EN LAS DIFERENTES
PARTES DEL CIRCUITO.
8. CONCEPTO DE CORTOCIRCUITO Y SOBRECARGA
8.1. Cortocircuito
Es la unión directa de dos conductores de diferente potencial sin ninguna resistencia, receptor o
componente eléctrico intercalados entre ellos. Por ejemplo cuando se une directamente los
contactos de un enchufe o el polo positivo y negativo de una pila, se produce un cortocircuito.
8.2. Sobrecarga
Un circuito se dice que está en sobrecarga, cuando circula por él más corriente que para el que
ha sido diseñado, dicho vulgarmente, cuando circula más corriente de la cuenta, provocando
ésta un aumento de temperatura en los conductores o receptor.
Si la sobrecarga se mantiene durante un tiempo prolongado puede derivar en avería en el
circuito o en un incendio debido al aumento de temperatura.
8.3. Masa
La masa es otra forma de llamar al conductor negativo de un circuito de corriente continua, esto
es debido a que en ciertos aparatos electrónicos o en los vehículos, se acostumbra a conectar el
cable negativo a la masa metálicas del vehículo (chasis del vehículo).
8
9. LEY DE OHM
La Intensidad que circula por un circuito es proporcional a la tensión que aplicamos en él e
inversamente proporcional a la resistencia que opone a dicha corriente. Esto se expresa mediante la
fórmula:
Si tapamos con un dedo la letra del triángulo cuyo valor queremos conocer, y la fórmula para
calcular su valor quedará indicada por las otras dos letras restantes.
10. ENERGÍA Y POTENCIA ELÉCTRICA
Potencia eléctrica 
Energía eléctrica 
E=P∙t
Ejercicios de aplicación de la ley de Ohm, Potencia y energía eléctrica.
1. Hallar la intensidad de corriente que circula por un circuito si está sometido a una tensión de
220V y ofrece una resistencia de 55 ohmios.
Solución  4A
2. Hallar la potencia que consume un receptor eléctrico si tiene una resistencia de 20 ohmios y
circula una corriente de 5 A.
Solución  0,5 kW
4. Si tu equipo de música es de 40W y estás escuchando música 5 horas, ¿Cuántos KWh has
consumido? Sabiendo que 1KWh cuesta 0,08€, ¿cuánto has incrementado la factura de electricidad?
Solución  E = P∙t = 0,04KW∙5h = 0,2 KWh. --- Incremento= 0,2KWh∙0,08€ = 0,016€
5. Si se desea una corriente de 10mA al aplicar un voltaje de 5 v, ¿Cuál debe ser su resistencia?
Solución  R = V/I = 5 v/10 mA = 0.5x103W = 500W
9
11. INSTRUMENTOS DE MEDIDA (Medición de magnitudes eléctricas)
11.1 AMPERÍMETRO
Aparato que determina el valor de la intensidad de corriente que pasa por cualquier punto del
circuito.
SE CONECTA EN SERIE CON EL CIRCUITO (intercalándolo en dicho circuito).
NUNCA CONECTAR EN PARALELO CON EL RECECPTOR O LA PILA  Se rompería
11.2 VOLTÍMETRO
Aparato que determina el valor de la tensión entre 2 puntos cualesquiera del circuito.
SE CONECTA EN PARALELO GENERALMENTE. Si se conecta en serie no se rompe.
11.3 OHMÍMETRO U ÓHMETRO.
Mide la resistencia eléctrica de cualquier receptor, resistencia o componente electrónico.
Se conecta en paralélelo con el componente o receptor, y siempre con éstos
DESCONECTADOS DEL CIRCUITO (SIN CORRIENTE), ya que si se mide conectados al
circuito se rompería el aparato.
10
11.4 POLÍMETRO O TÉSTER
Es un aparato que mide diferentes magnitudes eléctricas. Para que se entienda, es como si se
dispusiera en un mismo dispositivo varios aparatos de medida (amperímetro, voltímetro,
ohmímetro…). Existen dos clases de polímetros:
 Polímetros analógicos: Muestra sus medidas a través de una aguja
 Polímetros digitales: Muestra la medida en forma numérica sobre una pantalla o display
12. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS. CÁLCULO DE RESISTENCIA EQUIVALENTE.
12.1. RESISTENCIAS EN SERIE
12.2. RESISTENCIAS EN PARALELO
12.3.
CONEXIÓN MIXTA DE RESISTENCIAS
11
13. ANÁLISIS Y RESOLUCIÓN DE CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA (C.C.)
13.1. RESOLUCIÓN DE CIRCUITOS SERIE
Recordemos que en un circuito con receptores en serie la Intensidad es única y el Voltaje se reparte
12V
12
13
13.2. RESOLUCIÓN DE CIRCUITOS SERIE
Recordemos que en un circuito con receptores en paralelo, el Voltaje es el mismo y la Intensidad
se reparte entre dichos receptores.
14
12V
15
13.3. RESOLUCIÓN DE CIRCUITOS MIXTOS
Conceptos básicos:
En este tipo de circuitos nos encontraremos receptores que están conectados en serie y otros que
están conectados en paralelo. El procedimiento de cálculo consiste en:
a) Simplificar las resistencias que están en paralelo y en serie, para calcular la Resistencia
equivalente Total del circuito.
b) Una vez hallada la R equivalente total, se obtiene el circuito elemental y se calcula la
intensidad total que recorre el circuito. Seguidamente se recompone el circuito original.
16
17
18
19
14. INVERSIÓN DE GIRO DE UN MOTOR
Para cambiar el sentido de giro a un motor, basta con invertir la polaridad, para ello utilizaremos
un conmutador doble:
Si quisiéramos señalizar el sentido de giro mediante bombillas, el esquema sería el siguiente:
15. EL RELÉ
Es un interruptor que se acciona por medio de un electroimán. El electroimán está compuesto
por un núcleo de hierro al cual, se le ha enrollado un hilo conductor recubierto de material aislante
(barniz) al que se le llama bobina, de tal forma que, cuando a través de dicha bobina pasa una
corriente eléctrica, el núcleo se convierte en un imán, y cuando deja de pasar corriente, este efecto
magnético desaparece.
El relé consta de dos partes o circuitos totalmente independientes:
-
Circuito de mando o control: es el circuito que activa o desactiva al electroimán.
-
Circuito de potencia: circuito sobre el que actúa el electroimán mediante la apertura o cierre de
sus contactos.
20
Un relé puede tener uno o más conjuntos de contactos conmutados, de modo que puede servir para
abrir o cerrar uno o más circuitos.
VENTAJAS DE LOS RELÉS:
-
Se pueden controlar altos voltajes o potencias mediante pequeños voltajes en el circuito de
control, reduciendo el riesgo para las personas.
-
Mediante un simple interruptor se puede conectar y desconectar simultáneamente muchos
circuitos y además con diferente voltajes
21
APLICACIONES DE LOS RELÉS
- Circuito de enganche o con memoria:
Al pulsar P1, se activa el relé y enciende la bombilla. El contacto del relé mantiene funcionando el
circuito aunque se suelte el pulsador.
Para apagar la bombilla de nuevo, habría que pulsar P2 el cual dejaría sin corriente a la bobina del
relé y haciendo por tanto que sus contactos vuelvan a su posición inicial.
(El circuito sería verdaderamente útil si en lugar de encender una bombilla se pusiera en marcha una máquina o
similar, ya que si se va la luz, la máquina se pararía y para volver a ponerla en marcha habría que darle de nuevo al
pulsador P1).
- Inversor de giro de un motor:
22